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物理科

電容器中儲存的能量之測定與探討

在玩聲光科學組合套件"動動腦"玩具時,我們看到許多形狀、大小不同的電容器,使我們想研究這些電溶器的性質、功用及所儲存的能量問題,故設計此實驗,以求其能量與電壓及電容的關係。

會逆轉的石頭-Rattleback 逆旋現象

Rattleback(又名 Celt Stone)為一橢圓形底面之物體,當往某個特定的方向旋轉後,它會開始上下震盪,然後再朝相反的方向旋轉。逆轉原因來自動摩擦力之分力所造成的力矩,此分力與接觸面摩擦係數有關,在某些條件下會產生最佳逆轉效果。我們以自己所製作的模型,來分析各種變因與逆轉效果的關係。並觀測到運動過程中,其對稱中心在 X、Y 兩方向的震盪振幅會隨時間呈現收斂的狀態,軌跡呈現出「帶阻尼的利薩求圖形」。

『蒸』有學問! ──智慧化水煮蛋之冷凝物理機制與電鍋節能技術探討

本研究運用電鍋加熱過程中之冷凝物理機制來操控水煮蛋熟度,既節能又可同時蒸製多種熟度水煮蛋。研究分析電鍋內溫度變化、斷電時間、盛裝容器內之冷凝水量、水煮蛋熟度等資訊發現:電鍋容量和外鍋水量會決定鍋內升溫速率和加熱時間,進而影響水煮蛋熟度。此外,雞蛋數量會影響水蒸氣之冷凝循環利用,因而延長加熱時間和提高熟度;若將雞蛋以容器盛裝,則會因容器大小和雞蛋堆疊方式阻礙部分冷凝水之循環利用,縮短加熱時間和降低熟度。若要節省電能和時間來蒸製同熟度水煮蛋,可選用小電鍋、減少外鍋水量、以燜鍋替代。最後,以不同方式堆疊雞蛋、包覆鋁箔,再搭配適當外鍋水量和燜鍋時間,可以同時蒸製出多種熟度水煮蛋,進而達到智慧化之效果。

水波波速測量的改進與變因的探討

在理化課本第三冊十七章波動中曾提到:波在相同介質中傳播是作等速度運動,且波速的快慢和介質的種類有關,但課本並無實驗證明,因此,為了找出測量波速的方法及影響快慢的變因,特別設計此實驗加以求證。

各式波源對於駐波形狀之影響

關於駐波:如果拉緊的繩左端以正弦震盪,而另一端固定,則此震動會沿著繩子像又送出一連續的行進波。波的頻率即震動的頻率。此波在固定端反射,向左回轉行進通過他自己。向右的波和向左的波便互相干涉。在某頻率下,此干涉會產生一駐波形式。但在高中課本之中只有討論以上所述之繩波,和水波槽中關於兩點波源所產生的駐波,而我們感興趣的是──三個、四個波源呢?而且現實狀況之中的波的振幅也並非是永遠保持不變。我們先利用電腦模擬兩個、三個及四個點波源產生的駐波。而後再用四個實驗,分別是一至四個點波源的水波槽實驗,我們利用馬達的震動產生水波,用投影機從水波槽的下方將水波投影至牆壁上,再用數位相機照下。現在高中課本中介紹節線及水波時,理論的推導都是沒有計算到水波振幅隨著距離波源的遠近而隨之有的衰減,而我們將實驗跟兩種理論的結果作比較,發現波源數在偶數時,有無衰減所造成的節線形狀略有差異,而波源數三個時,很明顯的可以發現當考慮到衰減時,節線數會變的較少。我們推測這是因為三點波源節線的決定並不是單純因為相位差為半個波長的關係,而同時與振幅也有一定程度以上的相關性。

「甕中捉音」-古代「空甕砌牆」隔音技術之探究

隨著大眾對生活品質的要求逐漸提升,有關防噪音的裝置已成為生活上不可或缺的設施。本研究在藉由對古代「空甕砌牆」隔音技術之文獻探討後,以探究空甕外部及內部的相關因素之隔音效果。研究結果顯示,空甕數量愈多、空甕厚度愈厚、甕口口徑愈大時,會有較佳的隔音效果,在空甕的擺放位置上以×字形的隔音效果較好,甕口的形狀上以正方形的隔音效果較好,空甕內填塞物的空隙率愈小隔音效果會較好,空甕間有連通也會有較佳的隔音效果。最後我們也建議,日常生活中有許多類似空甕的物品也可環保回收拿來替代價錢比較貴的空甕,除了可做為隔音牆使用之外,也可設計成裝置藝術做為美化環境用。

「深」在「浮」中不知「浮」~探討表面張力對『沉體』浮於水面行為之影響

硬幣因表面張力的作用而浮於水面上,且當所形成水面曲線各點斜率小於1時,即硬幣與水面接觸角小於135∘,其曲線會符合h(x)=c1e-x⁄Lc 的形式。另外,實驗驗證兩枚浮於水面之硬幣因兩側接觸角不同,使硬幣受力F=γ(sinθc2-sinθc1)*A,而發生互相靠近的情形,此機制與文獻[4]所提到的解釋不同,這是因為沉體(本實驗所研究的)與浮體(文獻所提到的)與水面的接觸形式不同,而使得物體浮於水面上互相靠近的物理機制不同。最後,本組發現水面漂浮物體為浮體時(密度小於1gw/cm3),接觸角大小與表面材質有關,與密度大小無關;而為沉體時(密度大於1gw/cm3),接觸角大小與表面材質無關,會隨著密度增加而變大,可說明了兩沉體互相靠近時,接觸角是會改變,因而產生吸引的現象。

紗窗大小與通過風速的關係

想必大家的家裡面多多少少都會裝紗窗或者是紗門吧!其目的是在於防止蚊蟲進入,但是經過了這一道阻隔卻往往造成夏日涼爽的清風無法有效進入室內。本實驗的目的即在於探討是哪些可能因素造成了風在通過紗網時流速的變慢。首先在實驗一中我利用了線香來拍攝氣流通過紗網的軌跡,以推論紗網密度與紗網前後風速變化量的關係,接下來在實驗二中我測量同一高度下,紗網前後各點的平均風速,進而確定紗網網格密度、網徑大小以及通風面積比(網孔總面積/模型總截面積)均會造成風速的變化。最後經由風洞內各點的壓力分佈分析得知,風速之所以會減弱是因為紗網網格過密,形成了風阻,阻礙了風的流動,所以風在吹到紗網前,風速早就已經降下來;而經過紗網時又阻礙了一部分的風量,故在紗網後的我們才會感覺風明顯的變弱。但同一紗網對不同的入口風速造成的風速降低比例大約是相同的,不因其入口風速的快慢而改變;而且紗網網格密度越小造成風速降低比例值則越小。

我變!我變!我變變變!

四年級的校外教學日,我們去參觀淡水紅毛城。附近許多攤販競賣淡水名產一阿婆鐵蛋。一顆顆的鐵蛋又硬又鹹,大家都很好奇:「為什麼一顆大大的雞蛋會變得小小的呢?」大家紛紛請教老師,老師建議我們動手做實驗來了解蛋的秘密。

機器顫鼠的戰力

在網路上看到機器鼠的影片,我們覺得很有趣。因此我們決定自己動手製作會動的機器顫鼠。我們動手完成顫鼠的前、後腳及身體,使機器顫鼠成為不掛輪子卻能前進。中間,我們遇到各種問題。因為沒有解決策略,我們不斷觀察異象、察覺問題,完成時還會遇到功能性不完整的問題,讓我們在過程中必須尋找解決的策略以突破困境。我們得到結論:(1)重心愈往前,機器顫鼠到達終點的速度越快。(2)顫鼠後腳材質是菜瓜布最快,毛巾布料次之,橡皮最慢。(3)後腳底部貼120號或是320號砂紙時,前進速度最快。(4)旋轉臂的長度愈短時,前進速度越快。(5)前腳寶特瓶直徑7.7cm、8.8cm時,彈力大,則前進速度最快。(6)墊片愈多,旋轉臂甩動的力量愈大,離心力愈大,則前進速度越快。